纳米材料的特性及发展展望
一．纳米材料的特性
　　纳米材料可划分为三大类：一是一维的纳米粒子；二是二维的纳米固体（包括薄膜和涂层、管、线）；三是三维的纳米体材（包括介孔材料）。
　　纳米材料具有极佳的力学性能，如高强、高硬和良好的塑性。金属材料的屈服强度和硬度随着晶粒尺寸的减小而提高。同时，不牺牲塑性和韧性。
　　纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米材料的光学特性有很大的影响。如，它的红外吸收谱频带展宽，吸收谱中的精细结构消失，中红外有很强的光吸收能力。
　　纳米材料的颗粒尺寸越小，电子平均自由程缩短，偏离理想周期场愈加严重，使得其导电性特殊。当晶粒尺寸达到纳米量级，金属会显示非金属特征。
　　纳米材料与常规材料在磁结构方面的很大差异，必然在磁学性能表现出来。当晶粒尺寸减小到临界尺寸时，常规的铁磁性材料会转变为顺磁性，甚至处于超顺磁状态。
　　纳米材料的比表面积／体积很大，因此它具有相当高的化学活性，在催化等，敏感和响应等性能方面显得尤为突出。




二、纳米材料迅速投入应用的方向
　　如上所述，纳米材料拥有优异的特性，吸引着人们在众多的领域开发应用。虽然纳米材料的价格一再降低，但生产成本仍不低。这就阻碍纳米材料进一步扩大应用。然而利用纳米材料的优异特性，对传统材料进行改性，是一条经济、实用的可行方法，有利于纳米材料的应用迅速扩大。
　　纳米材料有望在以下方面率先有较大规模的应用。纳米Co－WC的硬度提高一倍以上，且韧性和耐磨性均显著改善。纳米氧化铝添加到氧化铝陶瓷中，显著地起到增强和增韧作用。可见，纳米材料对于解决陶瓷材料的脆性问题行之有效，从而为提高陶瓷材料的可靠性，扩大陶瓷材料的应用开辟了一条新的途径。根据纳米材料的光学特征，可以进行光学设计、制备各种光学功能材料，用于制造红外探测装置、非线性光学器件以及抗紫外照射的设备。纳米材料达到单畴临界尺寸，产生很高的矫顽力，可用于制成各种磁卡，用于信息存储系统；制成磁性液体，广泛地应用于阻尼器件，旋转密封等；作为新型制冷材料，提高制冷效率。




三、纳米材料涂层的发展
　　将纳米材料与表面涂层技术相结合，有利于纳米材料的扩大应用，同时给涂层技术进一步提高创造了条件。
　　1．纳米材料涂层的组成与体系
　　根据纳米涂层的组成将其分为三类：完全为一种纳米材料体系、两种（或以上）纳米材料构成的复合体系，称0－0复合；添加纳米材料的复合体系，称为0－2复合。
　　完全的纳米材料涂层离商业化尚有相当一段距离，只有在军事上有所应用。但借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可使传统涂层的功能得到飞跃提高，技术上勿需增加太大的成本。这种纳米添加的复合体系涂层很快就可走向市场展示出强劲的应用势头。
　　利用现有的涂层技术，针对涂层的性能，添加纳米材料，都可以获得纳米复合体系涂层。纳米涂层的实施对象既可以是传统材料基体，也可以是粉末颗粒或是纤维，用于表面修饰、包覆、改性或增添新的特性。




2．纳米材料涂层产生与功用
　　凡是传统表面涂层技术，都可以用来或者稍加改造，实现纳米材料复合涂层。
　　在硬度高的，耐磨涂层中添加纳米相，可进一步提高涂层的硬度和耐磨性能，并保持较高的韧性。
　　将纳米颗粒加入到表面涂层中，可以达到减小摩擦系数的效果，形成自润滑材料，甚至获得润滑功能。在一些涂层中复合C60，巴基管等，制备出超级润滑新材料。涂层中引入纳米材料，可显著地提高材料的耐高温、抗氧化性。如，在Ni的表面沉积纳米Ni－La203涂层，由于纳米颗粒的作用，阻止了镍离子的短路扩散，改善了氧化层的生长机制和力学性质。
　　纳米材料涂层可以提高基体的腐蚀防护能力，达到表面修饰、装饰目的。在油漆或涂料中加入纳米颗粒，可进一步提高其防护能力，能够耐大气，紫外线侵害，从而实现防降解，防变色等功效；另外，还可以在建材产品，如卫生洁具、室内空间、用具等中运用纳米材料涂层，产生杀菌、保洁效果。
　　纳米材料涂层具有广泛变化的光学性能。它的光学透射谱可从紫外波段一直延伸到远红外波段。纳米多层组合涂层经过处理后在可见光范围内出现荧光，用于多种光学应用需要，如传感器等器件。在各种标牌表面施以纳米材料涂层，成为发光、反光标牌；改变纳米涂层的组成和特性，得到光致变色，温致变色，电致变色等效应，产生特殊的防伪，识别手段。80nm的氧化钇可作为红外屏蔽涂层，反射热的效率很高。在诸如玻璃等产品表面上涂纳米材料涂层，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热作用；在涂料中加入纳米材料，能够起到阻燃，隔热，起到防火作用。
　　经过纳米复合的涂层，具有优异的电磁性能．利用纳米粒子涂料形成的涂层具有良好的吸波能力，能用于隐身涂层。纳米氧化钛、氧化铬、氧化铁和氧化锌等具有半导体性质的粒子，加入到树脂中形成涂层，有很好的静电屏蔽性能；80nm的钛酸钡可作为高介电绝缘涂层，40nm的四氧化三铁能用于磁性涂层；纳米结构的多层膜系统产生巨磁阻效应，可望作为应用于存储系统中的读出磁头。




四、纳米材料涂层的发展展望
　　纳米材料涂层及其技术随着纳米材料的发展而发展。鉴于表面涂层所具备的特性和潜在的功能，都靠纳米材料去加以开创、提高，在纳米材料的制备合成技术不断取得进展和基础理论的日趋完善基础上，纳米功能涂层会有更快的发展，应用面将遍及多个领域。

一、纳米组装体系的设计和研究



　　目前的研究对象主要集中在纳米阵列体系；纳米嵌镶体系；介孔与纳米颗粒复合体系和纳米颗粒膜。目的是根据需要设计新的材料体系，探索或改善材料的性能，目标是为纳米器件的制作进行前期准备，如高亮度固体电子显示屏，纳米晶二极管，真空紫外到近红外特别是蓝、绿、红光控制的光致发电和电子发光管等都可以用纳米晶作为主要的材料，国际上把这种材料称为“量子”纳米晶，目前在实验室中已设计出的纳米器件有Si-SiO2的发光二极管，Si掺Ni的纳米颗粒发光二极管，用不同纳米尺度的CdSe做成红、绿、蓝光可调谐的二极管等。介孔与纳米组装体系和颗粒膜也是当前纳米组装体系重要研究对象，主要设计思想是利用小颗粒的量子尺寸效应和渗流效应，根据需要对材料整体性能进行剪裁、调整和控制达到常规不具备的奇特性质，这方面的研究将成为世纪之交乃至下一个世纪引人注目的前沿领域。纳米阵列体系的研究目前主要集中在金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒在一个绝缘的衬底上整齐排列的二维体系。　　纳米颗粒与介孔固体组装体系近年来出现了新的研究热潮。人们设计了多种介孔复合体系，不断探索其光、电及敏感活性等重要性质。这种体系一个重要特点是既有纳米小颗粒本身的性质，同时通过纳米颗粒与基体的界面隅合，又会产生一些新的效应。整个体系的特性与基体的孔洞尺寸，比表面以及小颗粒的体积百分比数有密切的关系。可以通过基体的孔洞将小颗粒相互隔离，使整个体系表现为纳米颗粒的特性；也可以通过空隙的连通，利用渗流效应使体系的整体性质表现为三维块体的性质。这样可以根据人们的需要组装多种多样的介孔复合体。目前，这种体系按支撑体的种类可划分为：无机介孔和高分子介孔复合体两大类。小颗粒可以是：金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物。按支撑体的状态也可分为有序和无序介孔复合体。 　　



二、高性能纳米结构材料的合成



　　对纳米结构的金属和合金重点放在大幅度提高材料的强度和硬度，利用纳米颗粒小尺寸效应所造成的无位错或低位错密度区域使其达到高硬度、高强度。纳米结构铜或银的块体材料的硬度比常规材料高50倍，屈服强度高12倍；对纳米陶瓷材料，着重提高断裂韧性，降低脆性，纳米结构碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍，n-ZrO2+Al2O3、n-SiO2+Al2O3的复合材料，断裂韧性比常规材料提高4-5倍，原因是这类纳米陶瓷庞大体积百分数的界面提供了高扩散的通道，扩散蠕变大大改善了界面的脆性。 　　



三、纳米添加使传统材料改性



　　在这一方面出现了很有应用前景的新苗头，高居里点、低电阻的PTC陶瓷材料，添加少量纳米二氧化铣可以降低烧结温度，致密速度快，减少Pb的挥发量，大大改善了PTC陶瓷的性能，尺度为60nm的氧化锌压敏电阻、非线性阀值电压为100V／cm，而4mm的氧化锌，阀值电压为4kV／cm，如果添加少量的纳米材料，可以将阀值电压进行调制，其范围在100V~30kV之间，可以根据需要设计具有不同阀值电压的新型纳米氧化锌压敏电阻，三氧化二铝陶瓷基板材料加入3％--5％的27nm纳米三氧化二铝，热稳定性提高了2——3倍，热导系数提高10％——15％。纳米材料添加到塑料中使其抗老化能力增强，寿命提高。添加到橡胶可以提高介电和耐磨特性。纳米材料添加到其他材料中都可以根据需要，选择适当的材料和添加量达到材料改性的目的，应用前景广阔。 　　



四、纳米涂层材料的设计与合成



　　这是近1—2年来纳米材料科学国际上研究的热点之一，主要的研究聚集在功能涂层上，包括传统材料表面的涂层、纤维涂层和颗粒涂层，在这一方面美国进展很快，80nm的二氧化锡及40nm的二氧化钦、20nm的三氧化二铬与树脂复合可以作为静电屏蔽的涂层，80nm的BaTiO3可以作为高介电绝缘涂层， 40nm的Fe3O4可以作为磁性涂层，80nm的Y2O3可以作为红外屏蔽涂层，反射热的效率很高，用于红外窗口材料。近年来人们根据纳米颗粒的特性又设计了紫外反射涂层，各种屏蔽的红外吸收涂层、红外涂层及红外微波隐身涂层，在这个方面的研究逐有上升的趋势，目前除了设计所需要的涂层性能外，主要的研究集中在喷涂的方法，大部分研究尚停留在实验室阶段，日本和美国在静电屏蔽涂层、绝缘涂层工艺上有所突破，正在进入工业化生产的阶段。 　　



五、纳米颗粒表面修饰和包覆的研究



　　这种研究主要是针对纳米合成防止颗粒长大和解决团聚问题进行的，有明确的应用背景。美国已成功地在ZrO2纳米颗粒表面包覆了Al2O3在纳米 Al2O3表面包覆了ZrO2，SiO2表面的有机包覆，TiO2表面的有机和无机包覆都已在实验室完成。包覆的小颗粒不但消除了颗粒表面的带电效应，防止团聚，同时，形成了一个势垒，使它们在合成烧结过程中（指无机包覆）颗粒不易长大。有机包覆使无机小颗粒能与有机物和有机试剂达到浸润状态。这为无机颗粒掺入高分子塑料中奠定了良好的基础。这些基础研究工作，推动了纳米复合材料的发展。美国在实验室中已成功的把纳米氧化物表面包覆有机物的小颗粒添加到塑料中，提高了材料的强度和熔点。同时防水能力增强，光透射率有所改善。若添加高介电纳米颗粒，还可增强系统的绝缘性。在封装材料上有很好的应用前景。

由于纳米结构具有的特殊效应，纳米技术的安全性评估却是不得不引起我们重视和面对的问题。随着纳米材料和技术的广泛应用，使人们今后将有许多机会接触纳米材料，纳米材料的超微性提醒我们关注纳米材料对人体的潜在影响。因为纳米材料甚小，它们有可能能够进入人体中那些大颗粒材料所不能抵达的区域，如健康细胞。并且由于纳米科学只有十几年的历史，人们对其的认识还不完全，尤其纳米材料由于颗粒尺寸达到纳米量级会出现传统材料所不具备的特性如：量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、介电限域效应。因此过去宏观物质的安全性评价结果有可能不适用纳米材料。并且我国至今没有纳米材料生产的许可证制度和纳米实验室安全问题的规定，纳米毒理方面的研究就显得十分紧迫，开展纳米毒理研究有重大科学意义和社会效益。现在的检测机构由于没有标准对纳米产品的检测而采用常规的方法，这是不科学的。纳米颗粒是极细小的，能够穿透人体表面的细胞，进入人体组织。因此目前所做的实验很不充分，不足以说明该产品的生物安全性。特别是纳米生物产品，直接应用在人体疾病检测和治疗方面的终端产品，一定要制定相关的生物安全性标准。同样，问题还在于研究人员并不知道如何将纳米材料从人体中清除，也不知道它们会在人体中降解还是沉积。纳米材料对环境的影响有多大，能够降解还是以别的方式长期存在。另外，怎样采取合理的措施确保科学的安全性也值得深思。

　　建立纳米技术的安全性评估，要分为两个层次去考虑，一个层次是考察不同纳米材料对生物体的作用，另一个层次是考察不同纳米材料对环境的影响。研究比较充分的纳米材料，集中于亚细胞―分子水平的研究，从纳米物质的输运、分布、与生物靶器官、细胞、细胞器直至生物分子的结合及对其生物功能的影响来研究其毒理，确定其作用的机制，对生物体和环境作用的考察主要应该包括如下内容：一是考察不同类型的纳米材料在表层细胞的代谢情况，建立纳米材料在表层细胞的代谢过程的模型；二是不同类型的纳米材料在深层细胞组织内的代谢情况，并建立相应的模型；三是不同类型纳米材料在免疫系统内的代谢过程，如巨嗜细胞、白血球等的代谢过程，建立相应的模型；四是不同类型的纳米材料在脏器内的代谢过程，如人体的重要器官肝、心、肺、肾等，建立相应的模型；五是不同类型的纳米材料的靶向模型，不同粒径、不同材料的靶向作用，是主动靶向还是被动靶向，为疾病的治疗提供相应的依据；六是不同类型的纳米材料在细胞内对细胞器的作用模型，重点考察纳米材料是否会影响DNA、RNA等遗传物质的表达，蛋白质等物质的合成过程等；七是考察不同类型的纳米材料是否可以突破血脑屏障的，是否可以进入脊髓，寻求可以利用的纳米医疗技术，用于疑难病症的治疗。八是分别对不同维度和不同类型的纳米材料进行考察，重点是0维和1维材料；九是考察不同物质状态和不同类型的纳米材料，除固体之外，还要考察气溶胶和液体等，十是不仅要考察生物，而且要考察不同类型的纳米材料对环境的作用，纳米材料在自然界中是否可以自然降解，自然降解的周期是多少，如果不能降解，我们应该如何处理，通过这些考察建立相应的实验模型和积累相关的数据，为纳米材料的废弃标准提供依据。



　　那么，我国应该如何面对纳米技术的安全性问题呢？



　　纳米技术的生物安全性评估是一个全球性的问题，相关的研究不是单一的某个学科可以完成的，应该是多学科交叉，需要几个学科来共同完成。首先，纳米技术涉及很多学科，如电子、生物、物理、化学等等，所以对纳米技术生物安全性的评估研究，需要临床医学、基础医学、毒理学、物理学、分子生物学、化学和环境科学等多学科的融合，应该是多个学科互相协作来完成，并充分利用各种先进的分析技术，包括依托大科学设施开展多学科的综合研究；其次，主要应该有两个学科来主导这项研究，一是生物方面，二是环境方面。这就涉及纳米技术的生物安全性和对环境的作用问题。目前还不能确定纳米产品会从根本上危害人体健康。但是纳米技术就像其他新技术一样，有可能带来安全、伦理、社会诸多问题，对此也不必恐慌，因为纳米技术现在还处于实验室探索阶段，只要我们加强这方面研究，一旦有问题也容易加以控制。



　　总体上说，建议采取以下几条措施应对纳米技术安全性问题：



　　1、建立相应的研究基金。由国家设立专项研究资金，建议由科技部和自然科学基金委联合牵头，组织有关部门，尤其是国家纳米科学中心等公共研究机构进行纳米技术对生物的安全性和对环境的影响研究，建立纳米技术安全性和环境影响的评价体系；



　　2、建立相应的法规。对涉及纳米技术安全性的问题进行立法，建立纳米技术在环保以及劳动保护方面的专门法规，这是由于纳米材料具有一些不寻常的特性，目前有关的法规都不适用于纳米材料。所以我国应考虑制定一些关于纳米技术的、有针对性的法规。通过法律的手段来对相应的行为进行约束，因为只有国家才具有强制力，才可以对纳米技术带来的负面效应进行立法和规范；



　　3、制定相应的技术标准。将纳米技术的安全性和环境影响列入到的有关制造和废弃纳米材料的行业标准中，对使用和废弃纳米材料进行约束，这一点是非常重要的，甚至可以作为将来纳米技术国际竞争的绿色壁垒，具有重要的国家战略意义；



　　4、开展纳米材料的防护研究。对纳米材料造成的潜在危害，我们应该开展怎样防护的研究。如纳米材料可能造成的职业病研究，以及怎样为劳动者提供相应的保障。纳米材料对水和空气造成什么样的污染，以及我们应当如何治理来起到对人类的生态环境保护的作用等。



　　5、应用纳米毒理学的研究成果。进一步拓展纳米毒理学研究的思路，应用某些“毒理”，以产生有益的生物医学效益，例如对病变细胞的控制和病变组织的修复。还可以考虑研究如何利用纳米物质的生物效应来进行某些病变的早期诊断，以及有巨大发展潜力的在农业上的应用。同时建立科学的纳米材料的检测方法。



　　所有这些研究结果的公开，才能保持平衡并取得人们的信任，任何的隐瞒，都会引来恐慌，造成对纳米技术发展不利的影响。如果因为担心负面影响而不敢发展纳米技术或做出过于严格的限制，那当然是愚蠢的；但是不考虑后果地盲目发展纳米技术，也是危险的。开展纳米技术的安全性研究，并不是要限制纳米技术的发展，而是要更科学的发展纳米技术。只有我们认真的对待纳米技术的正反两面，才能真正地推动我国科学技术的进步，促进我国纳米技术产业化的健康、有序的发展。在与发达国家经济和科技竞赛的道路上，抢占经济和科技制高点。因此，加强我国对纳米技术安全性问题的研究已是刻不容缓。

技术标准是沟通国际贸易和国际技术合作的纽带，一个国家标准化的程度直接影响到贸易中技术壁垒的形成和消除。如果说一项专利影响的只是一个企业，那么一个技术标准影响的则是整个产业。

　　我国纳米材料研究始于上世纪80年代末，“八五”期间，纳米材料科学被列入国家攀登项目。通过国家攻关计划、863计划、973计划的实施，国家在纳米技术研究方面已投入了大量的人力和物力。



　　中国到底有多少家纳米企业？



　　一个最新的统计数字是日经BP社2002年8月给出的，中国有800多家纳米企业，仅上海市场上打“纳米”旗号的企业就有数百家，但是真正生产纳米产品的有几家呢？在没有进行产品鉴定之前，谁也不敢下结论，不过有一点可以肯定，国内的纳米产品主要集中在制备纳米粉体方面，市场上很多的“纳米商品”还不是真正意义上的“纳米产品”，纳米产品识别问题已成为突出的问题。



　　由于纳米产品是新的领域，在国内外都没有相关的技术标准，广大消费者对纳米技术及其产品的知识了解不多，因此造成了纳米产品的无序发展。一方面认为，纳米技术高不可攀，另一方面，一些商家为了商业利益乱贴“纳米”标签。如果不通过鉴定揭露伪劣产品，打击假冒“纳米产品”和引导厂家生产真正的纳米产品，那么正宗产品的名声也会受到连累，这种局面将给纳米技术的发展带来巨大的负面影响。



　　纳米产品市场的规范急需纳米标准这个法来规范。大体的说，可以分成三个部分，一是纳米的术语，二是纳米产品的标准，三是纳米产品的检测标准。



　　那么，制定纳米标准应遵循什么原则呢？--三分之一企业标准战略



　　制定标准，总的原则应该是保留三分之一的符合标准的企业，淘汰三分之二不符合标准的企业。我们不要再像以前那样去保护大多数，在中国进入WTO之后，规则就应该相应的变化，使少数企业可以做大、做强。如果还是像以前那样，有众多的小企业来分市场份额，那么中国的企业无论怎么做，都很难做成像美国的微软，日本的东芝、日立那样品牌的企业。在国际竞争中，就不能很好地发挥企业航母的作用，有效地保护民族工商业。历史告诉我们，标准不能再吃大锅饭了，也不能再保护大多数小企业了，这是中国大企业少的一个根本原因，只有提高准入的市场门槛，才有利于大企业的成长，形成大的企业集团，进行充分的市场竞争，优胜劣汰，中国的产品才更有可能占领国际市场。通过“绿色革命”和国家出台的有关标准，规范市场行为，将一些低质量无竞争力的企业洗牌出局。



　　考虑生物安全性



　　纳米材料的生物安全性研究和纳米器件生物安全性研究。在标准的制定过程中，加入相关条目，特别是纳米生物产品，直接应用在人体疾病检测和治疗方面的终端产品，一定要制定相关的生物安全性标准，还有其他的纳米材料，若是与人体以及在人活动的环境中使用的，如市面上卖的什么加入纳米粉体材料的保暖内衣、抗菌内衣等等，都应该考虑生物安全性，制定相关的生物安全性检测标准。目前所做的实验很不充分，不足以说明该产品的生物安全性，现在的检测机构由于没有标准对纳米产品的检测而采用常规的方法，这是不科学的，像这些纺织品，大多是在纤维中加入纳米粉体材料，实现所谓的功能的，而纳米粉体材料颗粒是极细小的，能够自由地穿透人体表面的细胞，进入人体组织，这里生物安全性就显得非常重要了。



　　研究单位与企业应共同制定纳米标准



　　近年来，出现了研究单位单独申报标准的现象，这是存在很大风险的，如果没有企业的参与，制定出来的纳米标准也许只是理论研究的产物，不一定适合生产过程，很难应用到产业界，制定出来的标准也就没有什么实际的意义。当然，如果没有研究单位的参与，标准的制定也是不完善的，标准的档次上不去，一个标准也许只能用两三年，甚至两三年也用不到头，就得重新修订。综上原因，应该鼓励研究单位同产业界结合，共同来制定产品标准和检测标准。纳米产品标准和检测标准尤其是这样，由于纳米产品的特殊性，纳米产品的开发和检测主要是研究单位在做，他们更了解纳米产品的性能指标，如果能同产业界结合，就可以制定出既保护民族工业，又可以限制国外纳米产品的技术标准，形成我们国家真正的非贸易技术壁垒，使我们国家的纳米产业在国际竞争中立于不败之地。



　　应考虑包装和储运问题



　　特别值得一提的是，由于纳米粉体材料的比表面积大，很容易团聚形成微米颗粒，而失去纳米效应的特性。为有效地避免二次处理和加工成本，在制定相关的标准的时候，一定得考虑包装和储运的问题，如采用真空包装等，若是在生产流水线上，产品直接进入下一道工序，则可以不考虑这一环节。另外，对于纳米器件和纳米生物产品，大多都是精密产品，也应该考虑相关的包装和储运问题，避免在这些过程中造成不必要的损害。类似的，如果纳米功能产品和纳米结构产品对环境的依赖比较大的话，也同样存在这样的问题。 　　总之，制定国家纳米产品和检测标准，顺应了市场的要求，也符合国家利益，是非常必要和重要的。通过国家级纳米检测机构来加强产品和测试技术的标准化建设，在纳米技术产业化的过程中，提倡和支持高技术含量的产品，提高纳米技术应用的技术门槛，防止不严肃或不科学的做法。反对在纳米技术改性的传统产品的命名、产品性能的宣传上夸大或误导消费的倾向。反对少数人恶意炒作纳米概念、反科学的产品宣传，消除纳米科技发展中的泡沫。真正地推动我国科学技术的进步，促进我国纳米技术产业化的健康、有序的发展。在与发达国家经济和科技竞赛的道路上，抢占经济和科技制高点。